Poslední aktualizace: 27. února 2008

Transkript

1 Základní pojmy Šárka Vavrečková Ústav informatiky, FPF SU Opava Poslední aktualizace: 27. února 2008

2 Základní pojmy Výpočetní systém (například počítač) je stroj na zpracování dat provádějící samočinně předem zadané operace. Instrukce nejkratší, již dále nedělitelný povel, těmto povelům rozumí procesor (viz dále). Zakázka pokyn, který má výpočetní systém provést.

5 Fyzické prostředky výpočetního systému procesor vykonává zadané instrukce, určuje hardwarovou platformu systému (např. Intel x86, x86-64, AMD, AMD64, PowerPC, Alpha, MIPS, atd.), ve výpočetním systému předpokládáme existenci alespoň jednoho procesoru, vícejádrový procesor procesor s více jádry, tedy jediný integrovaný obvod s více jádry procesorů (narozdíl od víceprocesorového systému, kde má každé jádro vlastní integrovaný obvod) dnes se objevují dvoujádrové procesory, neplést si s víceprocesorovým systémem, kde každý procesor má vlastní integrovaný obvod,

6 Fyzické prostředky výpočetního systému procesor vykonává zadané instrukce, určuje hardwarovou platformu systému (např. Intel x86, x86-64, AMD, AMD64, PowerPC, Alpha, MIPS, atd.), ve výpočetním systému předpokládáme existenci alespoň jednoho procesoru, vícejádrový procesor procesor s více jádry, tedy jediný integrovaný obvod s více jádry procesorů (narozdíl od víceprocesorového systému, kde má každé jádro vlastní integrovaný obvod) dnes se objevují dvoujádrové procesory, neplést si s víceprocesorovým systémem, kde každý procesor má vlastní integrovaný obvod,

7 Fyzické prostředky výpočetního systému vnitřní pamět (operační pamět ) rychlá, obvykle chipy, podle různých vlastností rozlišujeme RAM (Random Access Memory), ROM (Read-Only Memory), DRAM, SDRAM, atd.), používá se obvykle během výpočtu a počítá se s tím, že po dokončení výpočtu budou zabrané adresy uvolněny, vnější pamět slouží k uložení dat a programů, které zrovna nejsou zpracovávány, je stálá (relativně), jsou to pevné disky (HD Hard Disk), CD, DVD, diskety, USB flash disky, pamět ové karty, atd., vstupně-výstupní systém (V/V, I/O systém, periferní zařízení) souhrn všech zařízení určených pro komunikaci s okolím, například monitor, tiskárna, klávesnice.

10 Logické prostředky výpočetního systému uživatel každý, do zadává zakázku výpočetnímu systému, úloha (job) posloupnost (obecně souhrn) činností potřebných ke splnění zakázky, jde tedy o specifikování postupu řešení zakázky, krok úlohy část úlohy, prvek posloupnosti provedení úlohy obvykle představující spuštění konkrétního programu (úloha může být posloupností více programů, jejichž práce probíhá simultánně nebo navazuje), proces instance úlohy nebo kroku úlohy, je prováděn ve vnitřní paměti za použití konkrétních dat.

14 Základní pojmy Pamět ový prostor systému je souhrn všech pamětí systému, vnitřní + vnější paměti. Pamět ový prostor procesu je souhrn všech pamět ových možností procesu, tedy jemu přidělená operační pamět pro programový kód a data procesu. Adresový prostor procesu je pamět ový prostor ve vnitřní paměti, který je vyhrazen tomuto procesu. Je to pamět ový prostor procesu, na kterém jsou zavedeny adresy. Holý počítač je výpočetní systém s pouze nejzákladnějším pamět ovým vybavením, to se obvykle nazývá BIOS.

18 Operační systém definice Definice Operační systém výpočetního systému je správce fyzických prostředků daného systému, který zpracovává pomocí logických prostředků úlohy zadané uživatelem. Pod pojmem softwarová platforma systému obvykle chápeme právě operační systém.

19 Funkce operačního systému Správa paměti. Správa procesů znamená evidenci spuštěných procesů, plánování přidělování procesoru, sledování stavu procesů, zajišt ování komunikace mezi procesy. Správa periferií. Správa systému v moderních systémech je obvyklé rozlišování různých režimů práce systému, alespoň uživatelský a privilegovaný. Můžeme zde zahrnout také bezpečnostní funkce systému ochranu proti škodlivým kódům, poruchám a neoprávněnému přístupu.

23 Funkce operačního systému Správa souborů (týká se dat na vnějších pamět ových médiích) znamená nejen vytváření rozhraní umožňujícího procesům přistupovat k souborům (a také jiným datům) jednotným způsobem, ale také udržování informací o struktuře souborů na disku, kontrolu přístupových práv procesů k souborům. Správa uživatelů systém vede informace o uživatelích systému a jejich činnosti, zajišt uje přihlašování a odhlašování uživatelů. Správa úloh totéž, co se týká uživatelů, týká se také úloh a jejich průběhu.

26 Funkce operačního systému Uživatelské rozhraní (user interface UI) je rozhraní mezi uživatelem a systémem. Programové rozhraní je rozhraní mezi programy (procesy) a výpočetním a operačním systémem, obvykle se označuje API (Application Programming Interface).

27 Funkce operačního systému Uživatelské rozhraní (user interface UI) je rozhraní mezi uživatelem a systémem. Programové rozhraní je rozhraní mezi programy (procesy) a výpočetním a operačním systémem, obvykle se označuje API (Application Programming Interface).

28 Typy OS podle počtu ovládaných procesorů jednoprocesorové (monoprocesorové) Windows s DOS jádrem (verze 9x, ME), víceprocesorové (multiprocesorové) unixové systémy včetně Linuxu, Windows s NT jádrem (NT, 2000, XP, Vista), dokážou rozplánovat alespoň některé úlohy tak, aby mohly být zpracovávány na více procesorech zároveň. Typy multiprocessingu: asymetrický (ASMP) jeden procesor je vyhrazen pro procesy systému a uživatelské procesy běží na ostatních procesorech, symetrický (SMP) kterýkoliv proces může běžet na kterémkoliv procesoru. Dnes již je běžný symetrický multiprocessing.

32 Typy OS podle složitosti správy uživatelů jednouživatelské (monouživatelské) Windows s DOS jádrem, víceuživatelské (multiuživatelské, multiuser) unixové systémy, Windows s NT jádrem, mají propracovanou správu uživatelů: umožňuje v systému pracovat více uživatelům najednou (tj. ve stejný okamžik) bez vzájemného ovlivňování, uživatelé se mohou přihlašovat na terminálech připojených k počítači nebo v případě serveru po síti, především je nutné zajistit přísné oddělení prostředků (např. paměti) využívaných různými uživateli.

37 Typy OS podle počtu provozovaných programů jednoprogramové (monoprogramové) v jednom okamžiku může být spuštěn jen jeden program, víceprogramové (multiprogramové) v jednom okamžiku může být spuštěno i více programů, dále zde odlišujeme víceúlohové (multitaskové) systémy, které umožňují kromě toho i sdílení prostředků mezi procesy těchto programů (správa vnitřní paměti, přidělování tiskárny apod.), jednoúlohové neumožňují sdílení prostředků mezi úlohami, nemají skutečnou správu procesů; problém běhu více procesů řeší například odložením veškerého pamět ového prostoru odstaveného programu na vnější pamět nebo do chráněné části vnitřní paměti a následným obnovením stavu ve chvíli, kdy tento program má pokračovat ve své činnosti.

41 Typy OS podle schopnosti práce v síti lokální Windows s DOS jádrem, v síti typu klient-server mohou být jen klienty, sít ové unixové systémy a Windows s NT jádrem, kromě klientské verze mají také serverovou verzi.

42 Typy OS podle schopnosti práce v síti lokální Windows s DOS jádrem, v síti typu klient-server mohou být jen klienty, sít ové unixové systémy a Windows s NT jádrem, kromě klientské verze mají také serverovou verzi.

43 Typy OS podle míry specializace speciální jsou specializované na jeden typ (nebo několik málo typů) úloh, univerzální běžné operační systémy na PC, řeší různé typy úloh.

44 Typy OS podle míry specializace speciální jsou specializované na jeden typ (nebo několik málo typů) úloh, univerzální běžné operační systémy na PC, řeší různé typy úloh.

45 Realtimový operační systém Realtimový operační systém je operační systém pracující v reálném čase. Požadavky procesů na systém: běžné, realtimové. Na realtimové požadavky nemusí reagovat okamžitě, ale je požadována horní časová hranice, tedy musí být zaručena maximální doba reakce v nejhorším možném případě. Běžné operační systémy s multitaskingem toto zaručit nemohou.

49 Použití realtimových systémů Používají se všude tam, kde jsou vysoké požadavky na interaktivitu systému, zadávané úlohy musí být vyřízeny téměř okamžitě nebo ve vhodně krátkém čase: systémy na řízení letadel, systémy na řízení některých složitých výrobních provozů, laboratoří, elektráren včetně atomových, v automobilovém průmyslu, atd.

50 Realtimová priorita Realtimová priorita existuje i v běžných systémech, je výrazně vyšší než je priorita běžných procesů. Narozdíl od realtimových systémů zde nelze zaručit maximální dobu zpracování procesu.

51 Realtimová priorita Realtimová priorita existuje i v běžných systémech, je výrazně vyšší než je priorita běžných procesů. Narozdíl od realtimových systémů zde nelze zaručit maximální dobu zpracování procesu.

52 Struktura realtimových systémů Většina realtimových systémů má malé jádro (mikrojádro), zbytek systému je implementován jako běžné procesy. Pokud realtimový systém vznikl přepsáním z klasického operačního systému, často jádro původního systému je mikrojádrem odstaveno a běží pouze jako jeden z procesů.

53 Struktura realtimových systémů Většina realtimových systémů má malé jádro (mikrojádro), zbytek systému je implementován jako běžné procesy. Pokud realtimový systém vznikl přepsáním z klasického operačního systému, často jádro původního systému je mikrojádrem odstaveno a běží pouze jako jeden z procesů.

54 QNX QNX je realtimový systém postavený na hodně upraveném unixovém klonu. Vlastnosti: Má malé mikrojádro a několik nejdůležitějších serverů (správa procesů, správa paměti apod.), zbytek systému běží jako běžné procesy. Mimořádná stabilita a rychlost, a to i při práci v grafickém rozhraní. Běží výborně i na slabších počítačích. Výborná podpora sítě, přístup na internet v případě, že pevný disk je z nějakého důvodu nedostupný. Původně komerční systém, ale ke stažení je také několik různě rozsáhlých nekomerčních verzí (OpenQNX). nedostatek aplikací pro tento systém, ale není problém portovat na QNX aplikace z unixových systémů.

59 RTLinux RTLinux je upravený Linux. Vlastnosti: Má realtimové mikrojádro, samotné linuxové jádro běží jako samostatný proces s nižší prioritou, jinak je téměř beze změn. Přerušení jsou zachycena mikrojádrem, a teprve tehdy, když čas procesoru nevyžaduje žádný realtimový proces, jsou předána původnímu linuxovému jádru, které je zpracuje klasickým způsobem. Tento systém je volně ke stažení na internetu.

62 RTX RTX (RealTime extension) je modul rozšiřující možnosti Windows NT/2000/XP směrem k realtimovým systémům. Vlastnosti: Je to pouze nástavba pro operační systém klasického typu. K systému je přidáno zvláštní rozšíření vrstvy HAL (RTX Real-time HAL Extender), nad kterým běží nový subsystém reálného času (RTX RTSS), v tom pracují procesy čistě real-timové (nemohou využívat prostředky Windows). S tímto subsystémem komunikuje RTX ovladač, který umožňuje běžet také Win32 procesům s podporou pro RTX (real-timovým procesům využívajícím také prostředky Windows).

65 Distribuovaný systém Distribuovaný systém je systém splňující tyto podmínky: pracuje na více než jednom procesoru, má svůj program rozdělen na (samostatné) části, které vzájemně komunikují, každá taková část je (může být) zpracovávána na jiném procesoru se zajištěním co největší transparentnosti.

68 Druhy distribuovanosti distribuovanost s hrubou granularitou části systému jsou spíše větší, samostatnější, méně mezi sebou komunikují, použitelné v případě, že je problém zajistit dobrou a rychlou komunikaci (nespolehlivá kabeláž, pomalé spojení), distribuovanost s jemnou granularitou části systému jsou co nejmenší, hodně mezi sebou komunikují, vyžaduje dobré a spolehlivé propojení částí systému.

74 Typy distribuovaných systémů distribuované aplikace, distribuované operační systémy.

75 Distribuované aplikace Distribuovaná aplikace je distribuovaný systém běžící na více propojených počítačích, každý z počítačů má svůj vlastní operační systém. Tato sít počítačů může být i internet.

76 Distribuované aplikace BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing) umožňující kterémukoliv uživateli počítače připojenému k internetu propůjčovat výpočetní kapacitu počítače některému z projektů (celkem více než 40), například: Climateprediction.net, SETI@home, Einstein@home (hledání gravitačních vln generovaných pulsary), MalariaControl.net, Protein Predictor (struktura proteinů a jejich mutace, význam v medicíně), Leiden Classical (pokouší se vysvětlit základy vědy, umožňuje zapojit do výpočtu vlastní projekty), atd.

83 Distribuované aplikace Grid je možné vytvořit i doma, existují nástroje pro vytváření gridů v malé domácí síti, například pro dlouhodobé překládání softwaru ze zdrojových kódů Gentoo Linux, zpracovávání multimédií, apod.

84 Distribuované aplikace Distribuované systémy pro správu verzí: umožňují skupině programátorů navzájem vzdálených dostatečně efektivně pracovat na tomtéž projektu, synchronizace přístupů a změn v zdrojových kódech, u každého registrovaného souboru uchovává historii změn, několik posledních verzí, informace (metadata) o souborech a jejich autorech, stanoveným způsobem reaguje v případě, že více uživatelů systému chce měnit tentýž soubor.

88 Distribuované aplikace Distribuované systémy pro správu verzí: Donedávna vývojáři Linuxu používali systém BitKeeper, ale především z licenčních důvodů se přechází na nový systém Git (není plnohodnotný systém pro správu verzí, i když pro tyto účely dostačuje, je to distribuovaný systém). Prosazuje se jeho varianta rozšířená o další skripty, Cogito, která je již plnohodnotným systémem pro správu verzí.

89 Distribuovaný operační systém Distribuovaný operační systém je samostatný operační systém běžící na síti procesorů, které nesdílejí společnou pamět, a zároveň poskytuje uživateli dojem jednoho počítače. Třebaže je fyzicky rozmístěn na různých počítačích, nemá (nemělo by) to mít vliv na jeho činnost a uživatel neurčuje, kde se konkrétně jeho data zpracovávají nebo kde ve skutečnosti jsou uložena. Základní vlastnosti distribuovaného operačního systému: 1 transparentnost ( průhlednost strukturu či postup není vidět), 2 flexibilita (přizpůsobivost), 3 rozšiřitelnost.

93 Transparentnost Znamená pro uživatele a případně i pro procesy určitý dojem jednolitosti systému. přístupová transparentnost proces jednotným způsobem přistupuje k lokálním i vzdáleným prostředkům, lokační transparentnost proces nemusí znát fyzické umístění prostředku (tj. neudává jeho umístění adresu, ale identifikuje ho jiným způsobem), migrační transparentnost prostředky mohou být libovolně přesouvány a připojovány k různým částem celého systému, exekuční transparentnost procesy mohou běžet na kterémkoliv procesoru a mohou být při svém běhu přemístěny na jiný procesor, aby se vhodně vyrovnala zátěž různých částí systému, atd.

97 Flexibilita Flexibilita znamená schopnost systému přizpůsobovat se veškerým změnám prostředí, ve kterém pracuje, včetně různých poruch a výpadků částí systému. Flexibilní systém pracuje takto: každá část systému byla pokud možno co nejvíce samostatná ve své práci, centrální rozhodování může tuto vlastnost narušit, je možné přemíst ovat provádění procesů na ty procesory, které zrovna nejsou vytížené, je možné přemíst ovat prostředky mezi částmi systému.

100 Rozšiřitelnost Rozšiřitelnost znamená schopnost rozšíření o (teoreticky) jakékoliv množství procesorů, prakticky je samozřejmě toto množství limitováno především problémy při komunikaci (propustnost linek, a také náročnost synchronizace systému, který je maximálně decentralizovaný).